發(fā)布時(shí)間：2017-08-21 03:05

  本文關(guān)鍵詞：四翼飛行器姿態(tài)控制算法研究

  更多相關(guān)文章： 四翼飛行器 姿態(tài)解算 PID Backstepping 滑�？刂�

【摘要】：四翼飛行器是一種機(jī)體具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的飛行器,在兩個(gè)垂直方向上共有四個(gè)旋翼,飛行器擁有四個(gè)輸入控制量,六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度,是一種典型的非線性系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)飛行器,四翼飛行器具有良好的垂直起降、懸停、機(jī)動(dòng)、姿態(tài)保持性能等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。加之近幾年電子技術(shù)和控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得國內(nèi)外出現(xiàn)越來越多研究成果。四翼飛行器因其獨(dú)特的構(gòu)造,使其控制系統(tǒng)復(fù)雜,本文對(duì)四翼飛行器進(jìn)行建模分析,構(gòu)造飛行器的動(dòng)力學(xué)方程,研究飛行器的姿態(tài)解算和控制系統(tǒng)算法。 為構(gòu)建飛行器的狀態(tài)模型,本文第二部分研究了飛行器的坐標(biāo)系統(tǒng),建立起飛行器在機(jī)體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系下的姿態(tài)描述方法,以及姿態(tài)在兩種坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換,分別使用了歐拉角和四元數(shù)進(jìn)行研究表述；進(jìn)而分析飛行器六個(gè)自由度的飛行原理；接著研究了飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,主要是為了完成飛行器狀態(tài)方程的構(gòu)建。然后對(duì)飛行器的硬件模型進(jìn)行分析,飛行器的硬件主要包括,飛行器主控模塊,姿態(tài)檢測(cè)模塊,電機(jī)模塊和通信接口模塊。這一部分主要完成了對(duì)飛行器機(jī)體模型的研究,為下一部分的飛行器姿態(tài)解算和姿態(tài)控制打下基礎(chǔ)。 第三部分研究了飛行器的濾波姿態(tài)計(jì)算算法,這些算法有卡爾曼濾波算法,互補(bǔ)濾波算法,并給出了三種算法在本飛行器模型下的控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程,同時(shí)研究了基于四元數(shù)的飛行器姿態(tài)解算算法,包括四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法,和梯度下降算法,同樣給出了本飛行器模型下的兩種算法的實(shí)現(xiàn)過程,為下一步的飛行器姿態(tài)控制算法打下基礎(chǔ)。 第四部分分析了飛行器的姿態(tài)控制算法,也是本文的重點(diǎn)。飛行器的姿態(tài)控制算法有很多種,這里研究了PID姿態(tài)控制算法,LQR控制算法、Backstepping控制算法。研究了算法的原理,并給出了三種算法在第二部分建立起的飛行器模型下的控制器設(shè)計(jì)過程,同時(shí)在研究分析這三種控制算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種組合控制方法,這種控制方法能充分利用被組合的控制方法的各自優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)各方面的最優(yōu)化。 第五部分在第四部分的基礎(chǔ)上在MATLAB里對(duì)三種控制算法進(jìn)行飛行器姿態(tài)響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn),并比較了仿真結(jié)果,驗(yàn)證三種控制方法的性能,分析了三種算法的優(yōu)劣。同時(shí)基于對(duì)這三種控制算法的研究設(shè)計(jì)了一種基于PID控制和滑�？刂频慕M合控制算法,并給出這種算法在MATLAB里面的仿真結(jié)果,驗(yàn)證算法的性能。
【關(guān)鍵詞】：四翼飛行器 姿態(tài)解算 PID Backstepping 滑模控制
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V249
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目錄8-11
• Contents11-14
• 插圖清單14-16
• 附表清單16-17
• 1 概述17-23
• 1.1 選題背景及研究意義17-18
• 1.1.1 選題背景17-18
• 1.1.2 研究意義18
• 1.2 發(fā)展歷史及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-21
• 1.2.1 發(fā)展歷史18-21
• 1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21
• 1.3 本文主要的工作21-22
• 1.4 章節(jié)安排22-23
• 2 四翼飛行器模型分析23-43
• 2.1 引言23
• 2.2 四翼飛行器姿態(tài)表示方法23-28
• 2.2.1 四翼飛行器坐標(biāo)系的建立23-24
• 2.2.2 四翼飛行器位置姿態(tài)描述24-27
• 2.2.3 四翼飛行器姿態(tài)表示方法27-28
• 2.3 四翼飛行器飛行原理28-31
• 2.4 飛行器運(yùn)動(dòng)學(xué)模型31-36
• 2.5 四翼飛行器主要硬件及電路組成36-41
• 2.5.1 主控制器模塊37-38
• 2.5.2 姿態(tài)傳感器38-40
• 2.5.3 通信接口40-41
• 2.5.4 電機(jī)模塊41
• 2.6 飛行器控制系統(tǒng)流程41-42
• 2.7 本章小結(jié)42-43
• 3 飛行器姿態(tài)解算43-55
• 3.1 引言43
• 3.2 數(shù)據(jù)濾波姿態(tài)解算方法43-47
• 3.2.1 卡爾曼濾波43-45
• 3.2.2 補(bǔ)濾波45-47
• 3.3 基于四元數(shù)的姿態(tài)解算47-53
• 3.3.1 四元數(shù)互補(bǔ)濾波姿態(tài)解算算法47-50
• 3.3.2 四元數(shù)梯度下降姿態(tài)解算算法50-53
• 3.4 本章小結(jié)53-55
• 4 飛行器姿態(tài)控制算法55-69
• 4.1 引言55-56
• 4.2 PID控制方法56-60
• 4.2.1 PID控制原理56-58
• 4.2.2 PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)58-60
• 4.3 Backstepping控制算法60-66
• 4.3.1 Backstepping控制原理60-63
• 4.3.2 基于Backstepping的飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)63-66
• 4.4 滑模控制方法66-68
• 4.4.1 滑�？刂圃�66-67
• 4.4.2 基于滑�？刂品椒ǖ娘w行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)67-68
• 4.5 組合控制方法68
• 4.6 本章小結(jié)68-69
• 5 系統(tǒng)仿真69-75
• 5.1 引言69
• 5.2 PID控制方法仿真69-70
• 5.3 Backstepping控制方法仿真70-71
• 5.4 滑�？刂品抡�71-72
• 5.5 組合控制仿真72-73
• 5.6 本章小結(jié)73-75
• 6 總結(jié)與展望75-77
• 6.1 總結(jié)75-76
• 6.2 展望76-77
• 參考文獻(xiàn)77-81
• 致謝81-83
• 作者簡介及讀研期間主要科研成果83

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

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中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 喬相偉;基于四元數(shù)非線性濾波的飛行器姿態(tài)確定算法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2011年

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本文編號(hào)：710442